Proiectarea cu MicroprocesoareCurs 1

An 3 CTI, Seria A

An universitar 2017/2018

Semestrul I

Lector: Radu Dănescu

Introducere

Obiective

• Cunoaşterea, înŃelegerea şi utilizarea conceptelor: microprocessor, magistrală,

memorie, sistem de intrare-ieşire, metode de transfer a datelor, interfeŃe.

• Analiza şi proiectarea sistemelor cu microprocesor

CunoştinŃe preliminare necesare

• Proiectare Logică, Proiectarea sistemelor numerice, Arhitectura Calculatoarelor,

Programare în Limbaj de Asamblare, Programarea Calculatoarelor (C/C++)

Structura disciplinei

• 2C + 1L + 1P / săptămână

Structura cursului

• Partea 1 – ATMEL (ATmega2560, Arduino) şi aplicaŃii

• Partea 2 – aspecte ale proiectării sistemelor cu microprocesor (exemplificate

folosind familia x86)

Tematica laboratorului

• Lucrări practice folosind plăci Arduino (ATmega2560 (MEGA2560),

ATmega328P(UNO)) şi multiple module periferice modules

BibliografieSlide-urile de curs, disponible pe site:

http://users.utcluj.ro/~rdanescu/teaching_pmp.html

Microcontrollere

G. Grindling, B. Weiss, Introduction to Microcontrollers, Vienna Institute of Technology,

2007.

https://ti.tuwien.ac.at/ecs/teaching/courses/mclu/theory-material/Microcontroller.pdf

Atmel AVR, Arduino

M. A. Mazidi, S. Naimi, S. Naimi, The AVR Microcontroller and Embedded Systems Using Assembly And C, 1-st Edition, Prentice Hall, 2009.

Michael Margolis, Arduino Cookbook, 2-nd Edition, O’Reilly, 2012.

Familia 8086

Barry B. Brey, The Intel Microprocessors: 8086/8088, 80186,80286, 80386 and 80486. Architecture, Programming, and Interfacing, 4-rd edition, Prentice Hall, 1997

S. Nedevschi, L. Todoran, „Microprocesoare”, editura UTC-N, 1995, Biblioteca UTCN

Documente suplimentare

Data sheets Atmel, Intel etc, tuturiale Arduino: http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

Evaluare

Evaluare: nota examen (E) + nota laborator/proiect (LP)

if (LP > = 5) AND (E > = 4.5)

Final_mark = 0.5 *LP + 0.5 * E

else

Final_mark = 4 OR Absent

Bonus - se poate acorda pentru activitate deosebită la curs/ laborator,

sau pentru participarea la concursuri studenŃeşti

Ce este un microprocesor

Un microprocesor incorporeaza toate sau majoritatea functiilor unei unitati

centrale de procesare intr-un singur circuit integrat.

O unitate centrala de procesare (Central Processing Unit, CPU) este o

masina logica ce poate executa programe de calculator.

Functia fundamentala a oricarui CPU, indiferent de forma fizica pe care o are,

este sa execute o secventa de instructiuni (programul), stocate intr-o

memorie. Executia instructiunilor se face de obicei in patru pasi: citire

instructiune (fetch), decodificare (decode), executie (execute) si scriere

rezultate (write back).

Intel 80486DX2 , interior Intel 80486DX2 – vedere exterioara

Scurta istorie

Microprocesoare pe 4 biti: Intel's 4004 (1971), Texas Instruments (TI) TMS

1000, si Garrett AiResearch's Central Air Data Computer (CADC).

Microprocesoare pe 8 biti: 8008 (1972), primul procesor pe 8 biti. A fost

urmat de Intel 8080 (1974), Zilog Z80 (1976), si alte procesoare derivate pe 8

biti de la Intel. Competitorul Motorola a lansat Motorola 6800 in August 1974.

Arhitectura acestuia a fost clonata si imbunatatita in MOS Technology 6502

in 1975, cu popularitate similara lui Z80 in anii 1980.

16 bit (Intel 8086, 80186, 80286, 8086 SX, TMS 9900)

32 bit (MC68000, Intel 80386DX, 80486DX, Pentium, MIPS R2000 (1984) si

R3000 (1989) etc.)

64 bit (majoritatea procesoarelor moderne)

Tipuri:

RISC: MIPS (R2000, R3000, R4000), Motorola 88000, AVR

CISC: VAX, PDP-11, Motorola 68000, Intel x86

Sisteme cu microprocesor

Dispozitive esentiale: CPU, Memorie, I/O

Dispozitive aditionale: Controller intreruperi, DMA, coprocesor, etc

Exemplu: placa de baza PC

Microcontroler (MCU)

Multiple componente ale unui sistem cu microprocesor sunt incluse in

acelasi circuit integrat - Microcontroler

• Memorie RAM si ROM (Flash), pentru program si date

• Unele dispozitive periferice (Timer, Numarator, Controllere pentru comunicatii

seriale / paralele, etc)

Proiectarea cu Microprocesoare

Obiectiv general: utilizarea microprocesoarelor (microcontrollerelor) in

dezvoltarea de sisteme electronice adaptate unor probleme specifice.

Exemple de aplicatii: roboti autonomi, senzori inteligenti, senzori mobili,

procesare de semnal audio, procesare de imagini, controlul automat al unor

procese, etc.

Pasii pentru indeplinirea acestui obiectiv:

• Studiul capabilitatilor microcontrollerului, familiarizarea cu programarea

acestuia;

• Studiul resurselor integrate in microcontroller si resurselor disponibile pe

placa cu microcontroller;

• Studiul dispozitivelor externe necesare pentru rezolvarea unor probleme

specifice;

• Studiul interfetelor de comunicare, a formatului datelor, si a diagramelor de

timp, necesare pentru conectarea microcontrollerului la dispozitivele externe.

Proiectarea cu Microprocesoare

Exemplu: proiectarea unui robot capabil sa se deplaseze autonom, evitand

obstacolele, sau sub controlul unui operator uman, sau ghidat de o banda de

culoare inchisa.

Microcontroller: AVR ATMega328, placa Arduino,

programare in C/C++

Componente interne: porturi I/O, intreruperi, interfata

de comunicare seriala, generator PWM

Componente externe: motoare DC, 1 motor servo,

senzori de reflectivitate, punte H, senzor de

distanta sonar, modul de comunicare Bluetooth.

Comunicare: seriala, tip UART, intre MCU si modulul

Bluetooth, PWM intre MCU si servo, si intre MCU

si puntea H, semnal analogic de la senzorii de

reflectivitate, puls digital intre sonar si MCU.

Algoritmi: scanare mediu si detectia obstacolelor,

urmarirea liniei, controlul rotilor pentru mersul in

linie dreapta, etc.

Proiectarea cu Microprocesoare

Exemplu: proiectarea unui robot capabil sa se deplaseze autonom, evitand

obstacolele, sau sub controlul unui operator uman, sau ghidat de o banda de

culoare inchisa.

Proiectarea cu Microprocesoare

Exemplu: proiectarea unui robot capabil sa se deplaseze autonom, evitand

obstacolele, sau sub controlul unui operator uman, sau ghidat de o banda de

culoare inchisa.

Familia de microcontrolere Atmel AVR 8 biti

• Arhitectura RISC

• Executie 1 instructiune / ciclu

• 32 registri de uz general

• Arhitectura Harvard

• Tensiune de alimentare 1.8 - 5.5V

• Frecventa controlata software

• Mare densitate a codului

• Gama larga de dispozitive

• Numar de pini variat

• Compatibilitatea integrala a codului

• Familii compatibile intre pini si

capabilitati

• Un singur set de unelte de

dezvoltare

tinyAVR1–8 kB memorie program

megaAVR

4–256 kB memorie program

Set extins de instructiuni (inmultire)

XMEGA

16–384 kB memorie program

Extra: DMA, suport pentru criptografie

AVR specific pentru aplicatiimegaAVR cu interfete particulare:

LCD, USB, CAN etc.

Arhitectura generala a unui microcontroller

AVR• Masina RISC (Load-store cu doua adrese)

• Arhitectura Harvard modificata – exista instructiuni speciale care pot citi

datele din memoria program

• Pipeline pe doua nivele: Fetch & Execute

Diagrame de timp AVR• Executia instructiunilor aritmetico-logice

• Pipeline asigura suprapunerea citirii urmatoarei instructiuni cu executia celei

curente

Diagrame de timp AVR

• Instructiunile care acceseaza memoria interna SRAM

• 2 cicli / instructiune

Registri de uz general (General Purpose Registers – GPR)

• Valori imediate se pot incarca doar in registrii R16-R31

• Registrii R26 – R31 sunt folositi in perechi ca si pointeri

• Fiecare registru are si o adresa in spatiul memoriei de date – adresare

uniforma

Operatii cu registri

• Copiere date

mov r4, r7

• Lucrul cu valori immediate – posibil doar cu registrii r16 – r31

ldi r16, 5

ori r16, 0xF0

andi r16, 0x80

subi r20, 1

• Operatii aritmetice si logice intre registri

add r1, r2

or r3, r4

lsl r5

mul r5, r18 – r1:r0 = r5*r18

rol r7

ror r9inc r19dec r17

Memoria de date

• Primele 32 de adrese – blocul de registri

• 64 de adrese – registri I/O accesabili prin instructiuni speciale

• 100+ adrese – spatiu I/O extins, accesabil prin instructiuni standard de acces la

memorie

• SRAM, de ordinul Kbytes (2, 4, 8 …)

• Posibilitate de extensie pana la 64 KB

Constantele predefinite RAMSTART si RAMEND marcheaza sfarsitul memoriei

interne de date SRAM

RAMEND

ATmega 2560 data memory map

RAMSTART

Operatii cu memoria de date

• Accesarea directa a memoriei de date

lds r3, 0x10FE

lsl r3

sts 0x10FE, r3

• Accesarea indirecta a memoriei de date, prin intermediul registrilor X, Y, Z

ldi r27, 0x10 octetul superior al lui X este r27

ldi r26, 0xFE octetul inferior al lui X este r26

ld r0, X

lsl r0

st X, r0

• Accesarea cu autoincrementare/decrementare a adresei

ld r0, X+ se acceseaza locatia X, apoi se incrementeaza X

ld r0, +X se incrementeaza X, apoi se acceseaza locatia X

ld r0, X-ld r0, -X

Memoria program

• Memorie flash, pentru programarea aplicatiilor

• Organizata ca in cuvinte de 16 biti

• Doua sectiuni: Boot si Aplicatie

• Cel putin 10000 cicluri scriere/stergere

• Constante pot fi declarate in segmentul de

cod, ele vor fi stocate in memoria program

• Accesarea memoriei program

Citirea - accesul este la nivel de BYTE,

adresarea se face doar prin pointerul Z

LPM r5, Z

LPM r5, Z+

LPM r0 este destinatie, Z adresa

ELPM foloseste adresarea extinsa RAMPZ:Z,

pentru a accesa memoria program mai mare

de 64 KB.

• Scrierea – doar pe cuvant

SPM PM(Z) <= R1:R0

Registrul de stare SREG

• Registrul SREG (8 biti) contine informatii despre starea sistemului si rezultatul

unor operatii

• Folosit pentru modificarea comportamentului programului sau pentru salturi

conditionate

• Nu este salvat automat la apelul procedurilor sau la executia intreruperilor !

• I – activarea globala a intreruperilor

• T – bit de transfer, poate fi copiat prin instructiunile BLD si BST din alt registru

• H – carry intre jumatati de octet, folositor pentru operatii BCD

• S – N xor V, indicator de semn

• V – indicator de overflow, indica schimbarea bitului de semn prin depasire

• N – indicator de rezultat negativ

• Z – indicator al unui rezultat nul

• C - carry

Instructiuni de salt

• Salturi neconditionate

RJMP – salt relativ, PC +- 2KB

JMP – salt absolut

IJMP – salt indirect, la adresa indicata de pointerul Z

• Salturi conditionate

CP, CPI – compara doua numere

BREQ – salt daca flagul Z este setat (numerele comparate sunt egale)

BRNE – salt daca numerele nu sunt egale

BRCS – salt daca flagul C este setat

SBRS – sare peste urmatoarea instructiune daca un bit intr-un registru e setat

SBRS r5, 2 – daca bitul 2 din reg. 5 este setat, executa saltul

SBRC, SBIS, SBIC

• Apeluri de procedura

RCALL, CALL, ICALL - se salveaza adresa de revenire in stiva, nu se

salveaza nimic altceva

• Revenire din procedura

RET – extrage adresa de revenire din stiva si executa salt la aceasta adresa

Exemple

• C

• AVR ASM

Exemple

• C

• AVR ASM

Exemple

• C

• AVR ASM

Exemple

• C

• AVR ASM

Exemple

• C

• AVR ASM

Exemple

• C

• AVR ASM

Microcontrolerul AVR Atmega 2560

Date tehnice Atmega 2560

• 135 Instructiuni, majoritatea executate pe 1 ciclu

• 32 registri pe 8 biti

• Memorie program Flash reprogramabila 256 K Bytes

• Memorie EEPROM 4K Bytes

• Memorie SRAM interna 8K Bytes

• Cicluri de citire/scriere posibile: 10,000 Flash/100,000 EEPROM

• Pana la 64 KB spatii de adresa pentru memorie externa

Periferice integrate pe chip

• Doua temporizatoare/numaratoare pe 8-biti

• Patru temporizatoare/numaratoare pe 16 biti

• 4 canale PWM pe 8 biti, 12 canale PWM pe 16 biti

• 16 canale de conversie Analog/Digital pe 10 biti

• 4 interfete programabile USART

• Interfata SPI

• Interfata two-wire (TWI), similara cu I2C

• Generare de intreruperi prin schimbarea starii pinilor

Arduino

• Placi cu microcontroller, si unelte de dezvoltare software open source

• Ascunde detaliile specifice diferitelor microcontrollere, folosind o abordare

unificata

• Este disponibila o larga multime de placi, shield-uri si accesorii

• O cantitate impresionanta de documentatie gratuita sau contra cost

• O cantitate impresionanta de exemple pentru orice problema

Site web: www.arduino.cc

Distribuitori in Romania: www.robofun.ro

Arduino Mega 2560

• Bazata pe microcontrollerul ATMega2560, pe 8 biti

• 54 pini de I/O digitali

• 16 pini de intrare pentru semnale analogice

• 4 porturi de comunicare seriala UART

• Frecventa procesorului: 16 MHz

• Alimentare si programare prin cablu USB

Un exemplu de program Arduino

• Aprindere intermitenta a unui LED, conectat la un pin digital de iesire (digital

output)

Un exemplu de program Arduino